蘭志軍

（太原軌道交通集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030000）

引言

近年來(lái)，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人民生活水平的不斷提升，為提高人們上下班的通勤效率，減緩城市早晚高峰擁堵情況，以地鐵為主以地鐵為主的城市軌道交通因其運(yùn)量大、速度快以及節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。地鐵作為電氣化高度集成的鐵路系統(tǒng)，隨著城市地鐵網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大，對(duì)其信息化建設(shè)的要求越高[1]。信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及SCADA 系統(tǒng)是地鐵信息化建設(shè)中的三個(gè)分系統(tǒng)。其中，SCADA 系統(tǒng)即監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可將地鐵中各個(gè)分散且相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)集成為一體，實(shí)現(xiàn)全區(qū)域資源的互通和共享。本文重點(diǎn)開(kāi)展SCADA 系統(tǒng)在地鐵項(xiàng)目中的應(yīng)用研究。

1 SCADA 系統(tǒng)概述及項(xiàng)目概述

1.1 SCADA 系統(tǒng)概述

基于SCADA 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與工作現(xiàn)場(chǎng)各類控制儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與遠(yuǎn)程客戶端之間的通信。隨著城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大，對(duì)地鐵的信息化、智能化以及數(shù)字化的要求越來(lái)越高，直接體現(xiàn)為對(duì)SCADA 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的嚴(yán)格要求[2]。

SCADA 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式包括通用串行通信技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。SCADA 系統(tǒng)除了常見(jiàn)的無(wú)線通信技術(shù)外，還可用無(wú)線計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)、無(wú)線電臺(tái)、GSM、GPRS 以及-800 MHz 無(wú)線集群技術(shù)等。SCADA系統(tǒng)可依據(jù)經(jīng)典的OPC 標(biāo)準(zhǔn)和OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和交換。SCADA 系統(tǒng)是在監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，從而保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或者機(jī)器能夠按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。SCADA 系統(tǒng)可采用的自動(dòng)控制技術(shù)包括有開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、隨動(dòng)控制、定制控制、離散控制、線性控制和非線性控制等。

本文將重點(diǎn)以北京某地鐵線路為例，進(jìn)行SCADA 系統(tǒng)在地鐵項(xiàng)目中的應(yīng)用研究。

1.2 項(xiàng)目概述

北京15 號(hào)地鐵線路在建設(shè)初期共分為三階段工程，15 號(hào)地鐵線路總長(zhǎng)度為40.8 km，整個(gè)地鐵線路包含有地下線路和高架線路。其中，地下線路長(zhǎng)度約27.1 km，高架線路的長(zhǎng)度約為13.7 km。其中第一階段線路長(zhǎng)度為20.2 km，共包含有4 個(gè)地下車(chē)站和4個(gè)高架車(chē)站。第二階段線路長(zhǎng)度約10.8 km，包含有4個(gè)地下車(chē)站。第三階段線路長(zhǎng)度約9.8 km，包含有5個(gè)地下車(chē)站。

2 SCADA 系統(tǒng)在15 號(hào)線地鐵線路中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在15 號(hào)線地鐵線路中設(shè)計(jì)SCADA 系統(tǒng)，可使該地鐵線路與北京市的軌道交通指揮控制中心實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，保證在緊急情況下可實(shí)現(xiàn)交通指揮控制中心對(duì)該地鐵線路的統(tǒng)一管理和控制。為保證互聯(lián)互通功能的可靠、穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，將該地鐵線路中的SCADA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三級(jí)管理三級(jí)控制模式，包括全線控制中心、車(chē)站級(jí)控制中心和本地級(jí)控制中心[3]。具體功能描述如下：

1）全線控制中心：作為SCADA 系統(tǒng)的上層控制中心，對(duì)地鐵線路的電力、環(huán)境、屏蔽門(mén)、廣播、自動(dòng)售票以及火災(zāi)等系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2）車(chē)站級(jí)控制中心：對(duì)該地鐵線路中各個(gè)站點(diǎn)的系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)控。

3）本地級(jí)控制中心：對(duì)地鐵線路中的設(shè)備進(jìn)行就地控制。

結(jié)合15 號(hào)地鐵線路的實(shí)際情況，為其匹配性設(shè)計(jì)的SCADA 系統(tǒng)的總體架構(gòu)如下頁(yè)圖1 所示。

2.1 SCADA 系統(tǒng)的互聯(lián)互通

將子系統(tǒng)中的各個(gè)分系統(tǒng)在SCADA 系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)集成，包括系統(tǒng)的集成和系統(tǒng)界面的集成，是SCADA 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)?；赟CADA 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)15 號(hào)地鐵線路中的電力和環(huán)境系統(tǒng)的監(jiān)控，并將視頻監(jiān)控、廣播和屏蔽系統(tǒng)與火災(zāi)、自動(dòng)售票檢測(cè)、信息顯示以及門(mén)禁等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面集成[4]?；赟CADA 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)15 號(hào)地鐵線路的集成和互聯(lián)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)用效果如下頁(yè)圖2 所示。

根據(jù)15 號(hào)地鐵線路的站點(diǎn)數(shù)和北京軌道交通指揮中心統(tǒng)一指揮功能，SCADA 系統(tǒng)的子系統(tǒng)在地下車(chē)站和高架車(chē)站所配置的接入點(diǎn)如表1 所示。

表1 SCADA 系統(tǒng)接入點(diǎn)配套數(shù)量

2.2 SCADA 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)15 號(hào)地鐵線路中SCADA 系統(tǒng)的功能，在硬件配置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了合理、全面的軟件架構(gòu)體系[5]。結(jié)合SCADA 系統(tǒng)的功能需求，其對(duì)應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)包括有數(shù)據(jù)接口層、數(shù)據(jù)處理層和人機(jī)接口層。各層結(jié)構(gòu)的功能如下：

1）數(shù)據(jù)接口層：該層軟件主要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所配套的硬件為遠(yuǎn)程前端處理器。

2）數(shù)據(jù)處理層：該層軟件主要是對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所配套的硬件主要包括有中心服務(wù)器和車(chē)站服務(wù)器。

3）人機(jī)接口層：該層軟件主要服務(wù)于操作人員，所配套的硬件為現(xiàn)場(chǎng)操作的工作站。

SCADA 系統(tǒng)在15 號(hào)地鐵線路中應(yīng)用的軟件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

2.3 SCADA 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

根據(jù)15 號(hào)地鐵線路各個(gè)站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信需求和15 號(hào)地鐵線路與北京軌道交通指揮中心的通訊需求，將其所配套的SCADA 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)分為主干層網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)。各層通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)如下：

1）主干層通信網(wǎng)絡(luò)主要依靠光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)交通指揮中心、各站點(diǎn)和各車(chē)輛段數(shù)據(jù)的高速傳輸。

2）局域網(wǎng)依靠以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

3）現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)依靠現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要是電力監(jiān)控子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)等各個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸。SCADA 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)如圖4 所示。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，地鐵已經(jīng)成為城市交通不可分割的一部分。為了實(shí)現(xiàn)城市交通的統(tǒng)一管理和指揮，為地鐵項(xiàng)目設(shè)計(jì)匹配的SCADA 系統(tǒng)非常有必要?；赟CADA 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地鐵項(xiàng)目中各個(gè)站點(diǎn)之間的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)各個(gè)站點(diǎn)中各類設(shè)備和子系統(tǒng)的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)整條地鐵線路控制中心與交通指揮控制中心的通信，為保證地鐵的安全、可靠運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。